用于耦合光纤输入/输出的具有结构化反射表面的耦合装置的制作方法

用于耦合光纤输入/输出的具有结构化反射表面的耦合装置优先权要求本申请要求于2012年3月5日提交的美国临时专利申请号61/606,885的优先权，其全文通过引用方式并入于此。下述指出的所有的公开通过引用方式并入于此。技术领域本发明涉及光纤信号传输，尤其一种用于物理地以及光学地耦合光纤的设备，用于指定各光信号路径。

背景技术：
鉴于用于现代数据传输的日益增加的带宽需求(例如，用于高清晰视频数据)，光纤信号传输在数据通信中变得无处不在。光信号通过光纤和相关连接件以及交换器的网络在光纤上被传输。对于给定的物理尺寸/空间，所述光纤与铜线相比展示了明显更高的带宽数据传输能力以及更低的信号损失。在光纤信号传输中，除了其终止端之外，光信号和电信号的转化在光纤上发生。具体地，在光纤的输出端，来自光纤的光线通过转换接收器被探测到并且转化为电信号用于下游进一步的数据处理(即光至电的转化)。在光纤的输入端，电信号通过转换发射器被转化为要输入光纤中的光(即电至光的转化)。为了耦合光纤的输入/输出至发射器/接收器，需要例如透镜的光学元件以平行和/或聚焦来自光源(例如，激光)的光线在光纤的输入端，并且用以准直和/或聚焦来自光纤输出端的光线进入光敏二极管探测器。为了获得可接受的信号水平，光纤必须以高公差被精确地对齐至发射器和接收器，以使光纤相对于发射器和接受器被精确地对齐至所支撑的各光学元件。在过去，鉴于实现所需的光学对准需要的内部光学元件以及结构，发射器和接收器设置有具有连接端口的耦合结构，光纤使用终止光纤的连接器耦合到所述连接端口。鉴于光纤是易碎的，其在物理连接至发射器和接收器结构期间和之后必须小心轻放。因此，所述发射器和接收器以及具有连接端口的相关结构一般是笨重的，其占用大量空间，从而使它们不适合使用在更小的电子设备中。至今为止，用于光纤以及发射器和接收器的耦合结构对于给定端口数一般非常昂贵并且尺寸较大。在多通道光纤传输中，上述提到的光纤数据传输存在的缺点被加重。光纤相对于发射器和接收器的连接和光学对准必须被装配，并且各部件必须以亚微米级精度组装。好像具有这样的精密水平的各部件不够挑战性一样，为了经济地生产所述各部件，其应该在全自动、高速度工艺中完成。所需的是改进的结构用于光纤的物理地以及光学地耦合输入/输出，其在降低成本的情况下，提高可制造性、易用性、功能性以及可靠性。

技术实现要素：
本发明提供一种耦合设备，其用于物理地以及光学地耦合光纤的输入/输出端以指定光信号的路径。所述设备可被实施用于物理地以及光学地耦合光纤至光学接收器和/或发射器，其在降低成本的情况下，提高可制造性、易用性以及可靠性，从而克服了现有技术结构的许多缺陷。根据本发明，所述耦合设备包括结构化表面，其作为光学元件，此光学元件通过反射(其也可包括入射光的偏转与衍射)指引光线至/来自光纤的输入/输出端。所述耦合设备还包括光纤保持结构，其相对于结构化反射表面牢固地和准确地对齐光纤。在一实施例中，所述光纤保持结构包括至少一个凹槽(或者一个或者更多的凹槽)，其以光纤的端部以确定的距离至并且对齐于结构化反射表面的方式积极地容纳光纤。结构化反射表面的位置与方向相对于光纤保持结构是固定的。在一实施例中，所述光纤保持结构以及结构化反射表面被限定在耦合设备的同一(例如，单块)结构上。在一可选实施例中，光纤保持结构以及结构化反射表面被限定在分离式结构上，该分离式结构被连接在一起以形成耦合设备。所述结构化反射表面可构造成平面、凹面或者凸面。在一实施例中，结构化反射表面具有镜面加工的光滑表面。其可被反光的纹理表面代替。所述结构化反射表面可具有统一的表面特征，或者不同的表面特征，例如不同的平滑度和/或不同程度的纹理，或者光滑面和纹理表面的不同区域的组合来制成结构化反射表面。所述结构化反射表面可有一表面轮廓和/或光学特征，其对应于至少一个下述等价的光学元件：镜子、聚焦透镜、发散透镜、衍射光栅，或者上述的组合。所述结构化反射表面可有多于一个的区域，其对应于不同的等价光学元件(例如，发散环形区域包围的聚焦中心区域)。在一实施例中，结构化反射表面被限定在不能穿过表面传输光线的不透明材料上。在本发明的一方面，结构化反射表面以及光纤保持结构被开放式结构限定，此开放式结构适于批量生产工艺，例如冲压，其是低成本、高产量工艺。在一实施例中，所述结构化反射表面以及各光纤保持凹槽通过冲压金属材料形成。在一实施例中，所述金属材料可被选为具有高刚度(例如，不锈钢)、化学惰性(例如，钛)、高温度稳定性(镍合金)、低热膨胀性(例如，殷钢(Invar))，或者被选为匹配热膨胀至其他的材料(例如用于匹配玻璃的柯伐铁镍钴合金(Kovar))。可选地，所述材料可为硬塑料或其他硬聚合材料。在一实施例中，所述耦合设备可被连接至光学发射器和/或接收器，耦合设备的结构化反射表面对齐于发射器中的光源(例如，激光)或者对齐于接收器中的探测器(例如，光敏二极管)。所述发射器/接收器可被不透气地密封至耦合设备。所述发射器/接收器可设置有导电接触垫，其用于电连接至外部电路。鉴于固定的结构化反射表面以及光纤保持结构通过对齐发射器中的光源或者接收器中的光探测器至耦合设备中的结构化反射表面的方式被精确的限定在同一耦合设备上，光源/探测器将被精确的对齐至光纤的输入/输出端。在一实施例中，精确对准发射器/接收器至耦合设备的方法包括叠加设置在发射器/接收器以及耦合设备上的互补对准标记。在本发明的另一方面，光纤被构建为主动式光缆(activeopticalcable)(AOC)，其是在现有技术中公知的光缆用以在光纤的一个终端设有用于电至光的转化的发射器，并且在光纤的另一个终端设有用于光至电的转化的接收器。根据本发明所述的耦合设备克服了现有技术中许多不足，其以低环境敏感性提供易用性和高可靠性，并且其能够以低成本制造。发明的耦合设备可以被构造成支撑单一或多个光纤，用于光输入、光输出或者以上两者(用于双向数据通讯)。附图说明为了更全面的理解本发明的性质以及优点，和优选使用模式，应结合附图参照下述具体实施方式。在下述附图中，遍及附图的相同或相似的部件采用相同的附图标记。图1是在光纤上数据传输的构造的示意图，其中实施本发明的耦合设备。图2是示出在光纤的输入端的光学照明模式的示意图。图3是示出在光纤的输出端的光学照明模式的示意图。图4是示出在输入端以及输出端的结构化反射表面上照明的足迹的示意图。图5是示出了用具有光滑平面的球形冲头形成平面镜的示意图。图6是用于冲压耦合设备中的凹槽和结构化反射表面轮廓的冲头几何形状的透视图。图7A是沿光纤的纵向轴的剖面图；图7B是其透视截面图。图8A是根据本发明的一实施例的完整的发射器/接收器模块的透视图；图8B是根据本发明的一实施例的发射器的透视图；图8C是根据本发明的一实施例的接收器的透视图。图9是根据本发明的一实施例的主动式光缆(AOC)的透视图。图10A是具有对准标记的耦合设备的另一实施例；图10B是发射器/接收器的另一实施例。图11根据本发明的一实施例示意性的示出了装配台以及包括对准的装配过程。具体实施方式本发明在下面参照参考附图的多个实施方式进行描述。虽然本发明按照用以实现本发明的目的的最佳方式进行说明，本领域技术人员应该理解的是，变化可以鉴于这些教导实现而不偏离本发明精神或范围。本发明提供一种耦合设备，其用于物理地及光学地耦合光纤的输入/输出端用以指定光学信号的路径。此设备可被实施用于物理地和光学地耦合光纤至光学接收器和/或发射器，其在降低成本的情况下，提高了可制造性、易用性和可靠性，从而克服了现有技术结构的多个缺陷。根据本发明，所述耦合设备包括结构化表面，其作为通过反射(其也可以包括入射光的偏转及衍射)指引光线至/来自光纤的输入/输出端的光学元件。图1示意性的示出了用于在光纤上传输信息的数据链的构造，其中实施本发明所述的耦合设备。为简单起见，图1中仅包括一些基本的元件以解释本发明。在图1中，光纤10的终止端部(输入端17以及输出端19是包层暴露的裸露部分，其没有保护缓冲及套层11)指向结构化反射表面12以及14。具有光源(例如，激光，像VCSEL-垂直腔表面发射激光器)的发射器16将电信号转化为光信号。发射器的平行光输出指向根据本发明所述的耦合设备的结构化反射表面12，其将光线聚焦在光纤10的输入端17上。光信号通过光纤10被传输，并且输出至根据本发明所述的另一耦合设备的结构化反射表面14，其将输出的光线聚焦至接收器18中的光学探测器(例如，PIN光敏二极管)。所述接收器将光信号转化为电信号。通过适当的调制输入至发射器16的电信号，数据经由在光纤10上的光信号被传输，并且在接收器18处对应于输入数据恢复为电信号。在所示实施例中，所述光纤可以是50/125渐变折射率(gradedindex)光纤，其具有0.2+/-0.015的数值孔径(NA)。结构化反射表面12及14被配置成凹透镜，其具有不超过250μm的孔径宽度以匹配在带状光缆中两光纤之间的标准节。凹透镜的光轴与光纤10的轴线对齐。所述光纤的端部17和19(平端面或角度抛光端面)距各自的结构化反射表面12和14大概为0.245mm的有效距离(沿光轴)。发射器16中的光源以及接收器18中的光学探测器距各自的结构化反射表面12和14大概为0.1mm的有效距离(沿光轴)。所述光源可以是VCSEL，其具有850nm的波长，6mW的光输出功率，以及20至30度的光束发散度。所述光学探测器可为PIN光敏二极管，其具有大约为70μm直径的有效面积。图2及图3分别进一步示意性的示出了光纤10的输入及输出端的光学照明模式。图4示意性的示出了在结构化反射表面12及14上照明的足迹。被这些反射表面限定的凹透镜具有相同的形状，但是两透镜的尺寸被在输出/接收器端透镜上的更大的光斑尺寸设置。在图示的示例中，所述透镜可以是170μm，其在输入/发射器(Tx)端的光斑尺寸为64μm，并且在输出/接收器(Rx)端光斑尺寸为108μm。根据本发明的一方面，所述结构化反射表面可通过精密冲压金属材料形成。图5示意性的示出了用具有抛光平面的球形冲头的平面镜的形成。精密冲压工艺以及装置已在美国专利号7,343,770中公开，其共同转让给本发明的受让人。该发明全文通过引用方式被并入本文。在那里公开的工艺以及冲压装置可适用于精密冲压本发明的耦合设备的特征(包括结构化反射表面以及在下文公开的光纤保持结构)。所述冲压工艺以及系统能够以至少1000nm的公差生产部件。参照图7，在本发明的另一方面中，所述耦合设备包括光纤保持结构，其牢固地并且准确地相对于结构化反射表面13对齐光纤10。在本发明的其他方面，结构化反射表面以及光纤保持结构被开放式结构限定，此开放式结构适于批量生产工艺，例如冲压，其是低成本、高产量的工艺。图7A是沿光纤10的纵向轴获取的剖面图。图7B是沿光纤10的纵向轴获取的剖面透视图。在图示实施例中，光纤保持结构包括凹槽22，其以光纤10的端部至结构化反射表面13有一定的距离并且与此结构化反射表面对齐的方式积极地容纳光纤。结构化反射表面13的位置及方向相对于光纤保持结构固定。在图示实施例中，所述光纤保持结构以及结构化反射表面限定在耦合设备的同一(例如，整体)基座26上。在可选实施例中(未示出)，所述光纤保持结构以及结构化反射表面限定在分离式结构上，其连接在一起以形成耦合设备。凹槽22有区段24，其限定在光纤10的端面15之间的空间。在图示实施例中，此区段24除了如凹槽22的剩余区段的浅底之外具有相似的宽度。此区段24限定肩部27，其提供光纤10的端面13的一部分(端部)与其抵接的止动件。因此，沿光轴的距离(例如245μm)被限定在端面15与结构化反射表面13之间。在图示的实施例中，光纤被完全容纳在凹槽22中，光纤22的外表面与基座26的顶面29齐平。鉴于具有125μm直径的光纤，以及距结构化反射表面13为100μm有效距离(例如从VCSEL30的平面沿光轴)的VCSEL光源30，VCSEL(垂直腔表面发射激光器)的平面距基座26的顶面29的距离大概为37.5μm。所述凹槽22被构建为通过夹紧光纤10以牢固地保持光纤10(包层暴露的裸露部分，其没有保护缓冲及套层)，例如通过机械的或过盈配合(或压入配合)。过盈配合确保光纤10夹紧在位，并且因此光纤10的位置与方向通过凹槽22的位置和其纵向轴设置。在图示实施例中，凹槽22具有一U型横截面，其紧贴地容纳裸露的光纤10(例如，包层暴露，没有保护缓冲及套层)。凹槽22的侧壁基本上是平行的，其中凹槽的开口可稍微窄于侧壁之间的平行间距(例如，轻微的C型横截面)以对光纤10提供额外的机械或过盈配合。开放式凹槽结构的其他细节可发现于在2012年4月5日提交的待审的美国专利申请号13/440,970，其全文通过引用方式合并与此。具有凹槽22的基座26实际上是一体式开放套箍，其用于支撑光纤10在精确的位置并且与结构化反射表面13对齐。结构化反射表面13的位置相对于凹槽22及肩部27固定，并且因此相对于光纤10的端面固定。结构化反射表面13不在移动部件上支撑并且不涉及任何移动部件。在一实施例中，耦合设备的基座26由金属材料形成。在一实施例中，所述金属材料可被选为具有高刚度(例如，不锈钢)、化学惰性(例如，钛)，高温度稳定性(镍合金)、低热膨胀性(例如，殷钢)，或者被选为匹配热膨胀至其他的材料(例如，用于匹配玻璃的柯伐铁镍钴合金)。为了反射性，基座26可采用例如铝或铜的金属形成，其提供更高(offerhier)的光学反射率。反射性也可以通过在基座26上涂覆例如金、银、镍、铝等材料来实现。可选地，所述材料可为硬塑料或其他硬聚合材料。上述公开的具有结构化反射表面以及光纤保持结构的耦合设备的开放式结构适于批量生产工艺，例如冲压，其为低成本、高产量的工艺。精密冲压工艺以及装置已在美国专利号7,343,770中公开，其共同转让给本发明的受让人。该发明全文通过引用方式合并与此。在那里公开的工艺以及冲压装置可适用于精密冲压本发明的套箍。图6示出冲头200，其构造成用于在基座26中冲压凹槽22以及结构化反射表面13。所述冲头200具有凸起表面轮廓，所述表面轮廓基本上与结构化反射表面以及凹槽是相反的。冲头200的表面轮廓符合被冲压的特征。图8A示出完整的发射器/接收器模块40的一个实施例，此模块包括连接至光学耦合设备39的发射器/接收器38，耦合设备中结构化反射表面对齐于在发射器/接收器中的光源/探测器。图8B示出了发射器/接收器38的实施例。发射器/接收器38包括基座150，其支撑电路板51，光源/探测器52(例如，VCSEL/光敏二极管)以及相关控制电路(例如，IC芯片)被安装在电路板51上。粘结表面53被限定在发射器/接收器38的周界。图8C示出了耦合设备39的内部开放式结构，其与上述讨论的耦合设备的开放式结构非常相似。基本上，耦合设备39具有一基座46，其具有在那里限定的凹槽42以及结构化反射表面43，类似与上述讨论的图6及图7中的之前实施例中限定在基座26中的凹槽22以及结构化反射表面13。在此实施例中，凹槽22的区段44更宽，但是具有限定肩部47的深度用以精确的定位光纤10的端面。更宽的凹槽34被设置在基座46上以容纳具有保护层11的光纤的更厚的区段。环氧树脂可被应用于保护凹槽34中的保护层11。在此实施例中，基座46具有凸起的侧壁37，其限定腔36，结构化反射表面43以及各凹槽位于腔36内。所述腔36设置用于容纳安装在电路板51上的IC芯片的高度的空间。侧壁37的高度限定发射器/接收器38中的光源/探测器与耦合设备39中的结构化反射表面43之间的距离。同样参照图7A，鉴于光纤具有125μm的直径，以及沿光轴方向距结构化反射表面43为100μm的VCSEL的平面输出表面，侧壁37的高度限定VCSEL的平面输出表面距腔36(对应于图7A中基座26的顶面29)的距离大概为37.5μm。如人们可理解的，在模块40中，鉴于固定的结构化反射表面以及光纤保持结构通过对齐发射器中的光源或者接收器中的光探测器至耦合设备中的结构化反射表面的方式被精确的限定在同一耦合设备上，光源/探测器被精确的对齐至光纤的输入/输出端。从另一观点，上面所描述的发射器/接收器与耦合设备的组合可被认为是完整的发射器/接收器模块，其包括结构化反射表面以及完整的耦合结构，此耦合结构对齐光纤至结构化反射表面。如之前讨论的，耦合设备39可由可锻金属材料冲压制得。侧壁37的顶面33设置有用于连接至发射器/接收器38的粘结区域。所述发射器/接收器38可通过胶水、环氧树脂、锡焊或者焊接的方式被连接至耦合设备39。在一实施例中，发射器/接收器38可抵靠耦合设备39被不透气地密封，例如，通过激光焊接、锡焊、或者燃烧(blazing)。所述发射器/接收器38以及耦合设备能够在组装前单独地制造及测试。本发明的另一方面，光纤被构建为主动式光缆(AOC)，其是在现有技术中公知的光缆，用以在光纤的一个终端设有用于电至光的转化的发射器，并且在光纤的另一个终端设有用于光至电的转化的接收器。图9示出了主动式光缆的实施例，其按照本发明采用发射器/接收器模块50。(在图9中仅示出了主动式光缆的一端；另一端在结构上是相似的，其中一端是设有激光或光源的发射器模块并且另一端是设有光子探测器的接收模块。)所述模块50的结构与在图8中所示的之前实施例中的模块40的结构相似，除了设置在发射器/接收器39外侧的电接触垫49之外。所述电接触垫49提供外部电通路至模块50内部的控制电路54。同样参照图1的示意图，主动式光缆48基本上包括在图1中所示的部件。所述主动式光缆48包括光纤(裸露的光纤10以及保护层)、发射器模块50、接收器模块50，所述发射器模块50对应于发射器16与耦合设备的组合，其中耦合设备具有结构化反射表面12以及上面讨论的支撑光纤10的端部17的光纤保持结构；所述接收器模块50对应于接收器18与耦合设备的组合，其中耦合设备具有结构化反射表面14以及上面讨论的支撑光纤10的端部19的光纤保持结构。图10和图11示出了装配过程的一实施例，其包括通过叠加设置在发射器/接收器以及耦合设备上的互补对准标记的发射器/接收器至耦合设备的精密对准。图10A是耦合设备46’的另一实施例，其与图8C相似，除了其省略了耦合设备的凸起的侧面之外。对准标记被设置在光学耦合设备39’的基座46’的顶面上。所述基座46’相对于结构化反射表面43’精确的对齐保持在凹槽中的光纤10。所述对准标记包括三个点64(其可以是由形成凹槽和结构化反射表面的冲压工艺所造成的凹痕)，其围绕结构化反射表面43’以L构型布置，因此其在两个轴/方向上提供了空间对准。对准点64是隔开的以使其对应于在发射器/接收器中光源/探测器上一定的特征。例如，图11B为VCSEL70(垂直腔表面发射激光器)的正方形顶面72的俯视图。所述VCSEL70(垂直腔表面发射激光器)具有输出区域71，其被偏移靠近于正方形顶面72的一个角。因此，通过在邻近于结构化反射表面43’的两侧的顶面66上铺设三个点64，并且此外隔开的各点64对应于VCSEL70(垂直腔表面发射激光器)的正方形顶面72的各个角，输出区域71能够通过对准点64至VCSEL70(垂直腔表面发射激光器)的正方形顶面72的各个角的方式来对齐于结构化反射表面43’。通过以上述讨论的类似的方式在耦合设备的顶面上提供类似的对准标记，在接收器中的光敏二极管至结构化反射表面的类似对准限定在耦合设备上。回头参照图8C，类似地对准标记(点64)被设置在围绕结构化反射表面43的腔的底部上。图10示出了发射器38’的另一实施例。基座150’具有凸起的侧壁，其有凹槽79以容纳光纤10的保护层11的额外的厚度。所述VCSEL70(垂直腔表面发射激光器)被安装在电路板51’上。图11A示意性的示出了装配台80，其包括采用上述描述的对准标记的对准系统。所述装配台80包括支撑对准台82(例如在X-Y水平面中的X-Y平移并且正交于平面外的Z轴，以及其关于Z轴旋转)的基座81。所述装配台80还包括具有取放头的旋转臂83，其被支撑以关于轴承84旋转用以摆动所述臂至对准台82上。耦合设备39’(或者图8和图9中的耦合设备39)被支撑在对准台82上，以对准点64在水平面中。发射器/接收器38’(或者图8和图9中的发射器/接收器38)通过旋转臂83的取放头来支撑。如图11A所示，当旋转臂83在竖直位置时，所述VCSEL70的正方形顶面72在竖直平面内。正交于VCSEL70的正方形顶面72的平面的轴线与正交于对准点64的平面的轴线正交。使用相机86以及分光器85设置用于VCSEL70的正方形顶面72以及对准点64的同时成像。如图11B所示，通过启动对准台82，对准点64的成像能够被带入至与正方形顶面72的成像对齐。如图11C所示，然后旋转臂83摆动以放置发射器38’在耦合设备39’的顶部上。所述发射器38’与所述耦合设备39’通过例如激光焊接，激光辅助锡焊，或者红外锡焊的方式连接。根据本发明所述的耦合设备克服了现有技术中的许多不足，其以低环境敏感性提供易用性和高稳定性，以及其能够以低成本制造。发明的耦合设备可以被配置成支撑单一或多个光纤，用于光输入、光输出或者以上两者(用于双向数据通讯)。虽然上述实施例参照用于单一光纤的耦合设备描述，但通过在耦合设备中提供平行的凹槽，使上述公开的耦合设备适用于多个光纤也在本发明的范围和精神内。对于上述描述的所有实施例，从另一观点，发射器/接收器与耦合设备的组合可被完整的发射器/接收器模块代替，此完整的发射器/接收器模块包括一个或更多的光源/探测器，完整的耦合结构，其包括一个或更多的结构化反射表面并且对齐一个或多个光纤至各结构化反射表面。在上述描述的所有实施例中，结构化反射表面可被构造成平面、凹面或凸面，或者这些的组合以构建混合反射表面。在一实施例中，结构化反射表面具有光滑(抛光)镜面。其可代替为反光的纹理表面。所述结构化反射表面可具有统一的表面特征，或者不同的表面特征，例如表面上不同的平滑度和/或不同程度的纹理，或者光滑面和纹理表面不同区域的组合来制成结构化反射表面。所述结构化反射表面可有表面轮廓和/或光学特征，其对应于至少一个下述等价的光学元件：镜子、聚焦透镜、发散透镜、衍射光栅，或者上述的组合。所述结构化反射表面可有限定多于一个区域的组合轮廓，所述区域对应于不同的等价光学元件(例如，由发散环形区域包围的聚焦中心区域)。在一实施例中，结构化反射表面被限定在不透明材料上，其不能穿过表面传输光线。虽然本发明已被参照优选实施例详细地示出并描述，本领域技术人员应当理解的是，可对形式以及细节作出多种改变而不偏离本发明的精神、范围以及教导。因此，所公开的发明仅仅被考虑作为说明性的，并且被限定在附加权利要求指定的范围中。